Obrobitelnost keramických materiálů

Přes všechny pozitivní vlastnosti keramických materiálů, jako je jejich tvrdost, chemická a tepelná stálost či malá teplotní roztažnost, jsou díky iontovým a kovalentním

31

vazbám keramické materiály prakticky plasticky nedeformovatelné. Pohyb dislokací v keramických materiálech je možný až při vysokých teplotách. Znemožněný pohyb dislokací se odráží na jejich obrobitelnosti [47]. Obecně jsou keramické materiály ve strojírenské technologii považovány za neobrobitelné konvenčními technologiemi třískového obrábění s definovanou geometrií břitu (soustružení, vrtání, frézování). Obrábění keramických materiálů se ve většině případů omezuje na „kosmetické“ úpravy povrchu pomocí lapování a broušení.

Velkým problémem spojeným s obráběním je vrubová citlivost keramik. Rýhy vznikající po obrábění na obrobeném povrchu fungují jako efektivní koncentrátory napětí a často vedou ke vzniku prasklin a lomů. Proto je snaha vyrábět keramické dílce jednoduchého tvaru, které je možno vyrobit přímo, bez nutnosti tyto díly dále obrábět [48].

V průmyslové praxi ovšem existují aplikace, ve kterých se složitějším tvarům součástí nejde vyhnout. Jedná se například o katalyzátory, náhrady zubů, kloubů, biokeramické podpůrné systémy (scaffolds). Problémem zejména v medicínských aplikacích je, že tvar kloubů a zubů je pro každého jedince unikátní. Pokud je cílem co nejlépe uspokojit požadavky pacienta, je nezbytné vyrábět keramickou náhradu na míru. Jedná se tedy o kusovou výrobu a vyrábění forem pro injekční vstřikování nebo jiné technologie by bylo značně neefektivní, a to jak finančně, tak i časově. Potom nezbývá než unikátní, geometricky složitý tvar získat jinou cestou.

2.3.1 Přístup „Bottom-up“

Myšlenka výroby přístupem „bottom-up“, který do češtiny lze volně přeložit jako

„od jednoduchého ke složitému“, spočívá v postupném vytváření složité struktury po vrstvách.

Na myšlence vrstvení jsou založeny všechny metody SFF. Postup se sestává z výroby 3D modelu ve vhodném softwaru, jeho rozdělení na tenké řezy, vytvoření řídícího kódu pro 3D tiskárnu či jinou metodu SFF a postupného nanášení vrstev [9, 16].

Tento přístup se zdá být velmi rozumným pro přípravu složitých dílů z materiálů, které nejde konvenčně obrábět, mezi které keramika spadá. Nicméně přináší spoustu problémů. Pro vlastní tisk je potřeba vytvořit keramický inkoust či pastu s homogenní obsahem keramických částic. A již tento krok je vcelku obtížný. Pokud se podaří připravit vlastní hmotu pro vrstvení, nastává problém se soudržností jednotlivých vrstev a jejich delaminací. Po vytištění je nutno se zbavit pojiv a změkčovadel, které jsou obsaženy ve vytištěné hmotě. Jejich vypalování je pomalé, při zvýšení rychlosti vypalování dochází ke vzniku trhlin vinou objemové roztažnosti vznikajícího plynu. Povrch vytištěné součásti nebývá kvalitní a vyznačuje se schodovitou strukturou, která ve svém důsledku dává vzniknout vrubům na povrchu. Vruby na povrchu negativně ovlivňují mechanické charakteristiky součásti. Zlepšení kvality povrchu vede ke snížení tloušťky nanášené vrstvy, což má za následek prodloužení výrobního času a prodražení celé operace [16].

2.3.2 Přístup „Top-down“

Myšlenka „Top-down“, tedy volně přeloženo „od kusu materiálu k hotovému dílu“ je základní myšlenkou obrábění. Z kusu kvalitně připraveného materiálu (ocel, dřevo, keramika) se postupným odebíráním materiálu získají požadované geometrické rozměry součásti se všemi tolerancemi a požadovanou kvalitou povrchu. Aplikací tohoto přístupu se lze zbavit problémů spojených s delaminací, stupňovitým povrchem a do jisté míry i s problematikou odstranění aditiv z keramického polotovaru. Problémem zůstává tvrdost a křehkost keramik ve slinutém stavu. Nicméně lze využít stavu předslinutého či neslinutého. Potom je potřeba uvážit přídavky na jednotlivé rozměry vyplývající z objemového smrštění při slinování. Obráběním neslinutých keramik se lze teoreticky do jisté míry zbavit vrubů vznikajících po obráběním. Během

32

slinování dojde k jejich částečnému odstranění, stejně tak i k odstranění malých prasklinek [16].

Nicméně „Top-down“ přístup je v oblasti keramik často spojen pouze s empirickými zkušenostmi. Hodnoty posuvů, rychlosti obrábění a hloubka úběru nejsou definovanými parametry, jako tomu je například v případě ocelí.

Obrábění keramik ve slinutém stavu

Obrábění keramiky ve stavu slinutém je velmi komplikované, a pokud to jde, je snaha se mu vyhnout. Opotřebení nástrojů je v případě obrábění slinutých keramik enormní a často se dá hovořit spíše o obrábění nástroje obrobkem. Pokud je nezbytné keramiku ve slinutém stavu opracovávat, provádí se zejména její broušení, lapování, popřípadě se užijí nekonvenční metody obrábění. Jednou z možností, jak lze konvenčně obrábět keramický materiál ve slinutém stavu, je tzv. „Laser-assisted machining“. Při tomto způsobu obrábění je obrobek nahříván laserem před řezným nástrojem (Obr. 2.18). Za vysoké teploty je umožněn pohyb dislokací a lze obrábět i oxidické keramiky soustružením a frézováním [49]. Obrábění biokeramiky na bázi HA se věnuje např. [50]. Jedna z možností, jak zlepšit obrobitelnost HA keramiky (a keramiky obecně) je vytvoření sklokeramického kompozitu. Obrobitelné materiály na této bázi jsou již dostupné. Limitují je ovšem jejich mechanické vlastnosti. Jejich nejčastější využití je v oblasti izolací (tepelných i elektrických) [51, 52].

Obrábění keramik v předslinutém stavu

Obrábění keramiky v předslinutém stavu přináší výhodu v podobě lepší obrobitelnosti materiálu. Předslinutý materiál se vyznačuje dostatečnou pevností a při tom nedosahuje tvrdosti

Obr. 2.18 Laser-assisted machning [49]

Obr. 2.19 Obrobené dentální korunky před závěrečným slinováním [53]

33

slinuté keramiky. Obrábění keramik v předslinutém stavu je poměrně dobře zvládnutá technologická operace zejména při přípravě implantátů pro dentální chirurgii. Keramické zubní náhrady a korunky jsou téměř výhradně obráběny v předslinutém stavu s následujícím doslinováním. Pro přesnou výrobu dentálních náhrad je s úspěchem užíváno CAD/CAM technologie (Obr. 2.19). Při užití předslinutého polotovaru je nicméně nutné počítat se smrštěním během doslinování. Proto je důležité znát koeficient smrštění, který může být různý v různých směrech [53, 54, 55]. Předslinuté polotovary jsou komerčně dostupné a výrobce deklaruje jejich čistotu a vnitřní homogenitu s vyloučením vnitřních vad. Předslinuté polotovary již neobsahují žádná pojiva. Ta jsou odstraněna během předslinovací operace [56].

Obrábění keramik v neslinutém stavu

Obliba keramických materiálů v průmyslu roste a se zvětšujícím se zájmem rostou i požadavky na přesnost a tvarovou složitost keramických dílů. Z hlediska strojní technologie by bylo přínosné obrábět keramické polotovary metodami dobře známými a popsanými jako je frézování, soustružení a vrtání. Jednou z možností je obrábět keramiky ve slinutém či předslinutém stavu. Nicméně výrobní operace se prodlužuje, opotřebení řezných nástrojů je velké a řezné odpory vznikající při samotném obrábění jsou často na hranici možností jak obráběcích nástrojů, tak strojů. Způsob, jak tyto jevy zmenšit či téměř eliminovat, je obrábění keramických materiálů v neslinutém stavu tzv. „green machining“ [18].

Obrábění keramických materiálů v neslinutém stavu konvenčními technologiemi s sebou přináší řadu problémů. K bezchybné a precizní obráběcí operaci je nutno obrobek pevně uchytit v obráběcím stroji. Uchycení neslinutého keramického polotovaru bývá často komplikované díky jeho malé pevnosti, zvláště pak, pokud se jedná o materiál získaný pomocí lisování s malým množstvím použitých pojiv. Obráběcí operace může být prováděna jak za sucha, tak za mokra – závisí na tom, jestli a jaký typ pojiva se v materiálu vyskytuje.

Každopádně přítomnost keramických částic vede k vysokému abrazivnímu opotřebení nástroje a s tímto opotřebením je třeba počítat (platí i pro obrábění ve slinutém či předslinutém stavu).

Vznik výmolu na čele nástroje může vést k nárůstu řezných odporů do té míry, že dochází k destrukci obrobku [57]. Obrábět keramický materiál lze jak nástroji z HSS, tak i s nástroji na bázi WC. Ukazuje se ovšem, že odolnost nástrojů na bázi WC je vyšší [18]. Lze se domnívat, že případný povlak na karbidickém nástroji řezné podmínky dále zlepší. Tříska, která se tvoří při obrábění keramik, se většinou značně liší od třísky vznikající při obrábění ocelí. Nelze definovat její geometrii a jedná se spíše o částice ve tvaru malých vloček [57].

Z literatury lze uvést několik příkladů systémů, které bylo možné s většími či menšími úspěchy obrobit konvenčními technologiemi v neslinutém stavu [16] se zabývá obráběním keramiky na bázi Al2O3 (55 obj. %), který byl získán metodou gelcastingu.

Práce [18] se zabývá obráběním keramiky Al2O3 konsolidované pomocí polymerace monomerů MAM:MBAM v poměru 6:1. Vzorky ve tvaru disků o rozměrech 30 mm v průměru 10 mm na výšku s obsahem pojiva 15, 22,5 a 30% byly použity pro obrábění broušením a vrtáním. Vzorky ve tvaru kvádrů o rozměrech 65x13x5 mm byly užity pro obrábění nesousledným frézováním. Z výsledků vyplynulo, že pro vrtání a frézování je vhodné používat nástroje na bázi WC, které vykazují nižší opotřebení než nástroje z HSS. Při broušení se se zvyšujícím se obsahem pojiva zhoršuje životnost brusných kotoučů, které jsou zanášeny a při vysokých rychlostech obrábění může dojít vinou tepla produkovaného tření až k hoření pojiva.

Obrábění frézováním přinášelo problém v podobě vzniku „chippingu“ na hranách (Obr. 2.20 ).

34

Ke zlepšení obrobitelnosti systémů konsolidovaných pomocí polymerace monomerů přispívá i práce [17]. Zlepšení obrobitelnosti je dosaženo vytvořením „dvojitého systému“, tzn.

konsolidace je dosaženo polymerací monomerů AM-MBAM a gelací systému na bázi alginátu sodného.

Obr. 2.20 Mikrofotografie obrobené keramické plochy pomocí frézování. A) systém konsolidovaná pomocí albuminu a sacharózy, B) systém konsolidovaný pomocí PVA-PVB.

Kvalita povrchu keramiky konsolidované pomocí PVA-PVB je mnohem lepší s menším odlupováním materiálu na hranách (tzv. „chipping“). [18]

35